显卡、内存为医学影像增添洞察

June 19, 2018 Majeed Kamran

医学影像设计人员渴望高性能,因为他们试图为医护专业人员提供包含最丰富信息的影像。驱动高级医学影像的处理器必须足够强大,以便根据原始影像传感器数据生成详细的影像,而且通常是实时生成。但是,这些处理器不能超过敏感医疗设备的热设计功耗 (TDP) 阈值。为了帮助解决该情况,有大量成像工作负载的系统(如 MRI 和 CT 扫描仪)依靠 GPU 阵列来利用并行处理的效率。采用多个 GPU 也提供了应用人工智能 (AI) 和计算机视觉 (CV) 等技术来更加深入地了解医学影像的机会。这些功能可用来检测影像中的异常,交叉引用影像记录,以及通过建议可能的诊断或潜在预测来更好地为医生提供信息。静止的一体化独立车载影像系统通常有一个 35 W 到 50 W 的 TDP 目标值。当然,让这些系统尽可能小也是另外一个设计目标。所有这些因素都使得要尽可能多地将显卡性能整合到影像系统中变成一种挑战。为了有效响应这些要求,医学系统设计人员需要由更快内存提供支持的更加高级的处理功能。这必须通过满足 TDP 预算的模块化外形来提供。“为了有效处理这些不断增加的工作负载,如今的成像应用依靠并行计算来利用 CPU 的多核能力以及图形处理单元 GPGPU 的计算单元”,congatec AG 美洲技术服务中心总监 Franz Fischer 如是说。Fischer 还补充说由于大量的并行化计算单元,英特尔® 超核芯显卡 630 可用作 GPGPU,还能够取代专有且复杂的 FPGA 和 ASIC 型设计。“在固定 MRI 扫描仪和 CT 等大型应用中,计算能力最为重要”,Fischer 说。“这些系统需要通过由多个 GPGPU 组成的阵列来获得大量的计算能力。但是,可以使用采用了最新第八代智能英特尔® 酷睿 处理器的强大、嵌入式计算内核来协调这些 GPGPU。”

逼真的图形和多线程技术让医学影像清晰无比

第八代智能英特尔酷睿处理器采用了一系列性能增强功能,包括之前讨论过的超核芯显卡 630,让医学专业人员能够更快速地获得洞察。英特尔® 超核芯显卡 630 是在基于 Coffee Lake 微体系架构的处理器中集成的一款图形处理器,它提供 24 个执行单元,促进按照 DirectX 和 OpenGL 等标准呈现 2D 和 3D 图像。此外,超核芯显卡 630 还提供对英特尔® 高速视频同步技术和英特尔® 清晰视频核芯技术等技术的支持。这些技术可加快硬件中的视频编解码,从而实现 4K 超高清流式传输和 360 度观看功能。现在,这些专为高性能游戏设计的功能使医学影像专业人员不仅能够实时检查器官,而且还能够从不同角度进行。第八代智能英特尔酷睿处理器的另一个重要升级是增加了每个处理器的内核数量,从四个增加到六个。每个内核均使用英特尔® 超线程技术(英特尔® HT 技术)支持多线程,让 CPU 级别的并行进程的吞吐量实际上翻了一倍。此功能对于连接到物联网 (IoT) 的医学影像系统特别相关,因为它既提高了性能,又使虚拟化应用程序能够在一个硬件平台上进行整合。“例如,利用六核处理器上的多线程处理,您可以在四个内核上定义一个八线程计算实例,然后在基于 RTS 管理程序的虚拟化实时环境中使用剩余的两个内核,从而为时间敏感网络 (TSN) 工业 4.0 机器、HMI 网关、防火墙和病毒扫描程序提供四个并行线程,” Fischer 补充说道。

更多内存实现更快的性能

为了支持这些性能升级,第八代智能英特尔酷睿处理器还包括一个双重内存升级。首先是英特尔® 智能高速缓存,它在所有酷睿 处理器 CPU 内核和集成的超核芯显卡 630 GPU 之间建立一个共享的 2 级或 3 级高速缓存,以便尽可能快地访问数据(图 1)

图 1. 英特尔® 智能高速缓存技术针对所有第八代智能英特尔® 酷睿 处理器内核将第 2 层或第 3 层高速缓存进行结合,以加快计算与内存之间的数据交换。(资料来源:emaze

“可同时用于 CPU 以及 GPU 的强大高速缓存系统(如英特尔智能高速缓存)对于优化数据流而言是决定性的,” Fischer 说道。“它帮助加速内存与 CPU 和 GPU 之间的数据交换,并且如果 CPU 和 GPGPU 处理的数据相同,它可以显著加快计算进程,因为数据保留在 SoC 内,而无需在较慢的主内存中进行写入和检索操作。”

全新英特尔酷睿处理器的另一个内存改进是支持英特尔® 傲腾TM 内存(基于先进的 3D XPoint 非易失性内存 (NVM) 技术)(图 2)。英特尔傲腾技术为英特尔所独有,它通过将经常访问的数据保留在最快的存储层上来加快对存储的访问,实现了比标准硬盘低三个数量级的延迟。因此,可以将相关信息应用到医学影像传感器数据,或者与其结合起来,从而为医护人员提供更好的信息支持。

图 2. 英特尔® 傲腾 内存技术是对英特尔® 酷睿 处理器能力的补充,有助于视频加速,并提升了影像响应能力。(资料来源:英特尔公司

“与 NAND 固态盘相比,英特尔傲腾内存的延迟要短很多,而且能够处理相同大小的数据包,” Fischer 说。“延迟只有 10 µs — 比标准硬盘的延迟大约低 1000 倍 — 主内存和存储之间的界限正变得难以区分。“这使得英特尔傲腾内存技术特别适合使用高性能技术和虚拟化的医学影像应用及大数据分析,以及通过深度学习实现的人工智能,” Fischer 补充道。结合了上述内存改进和计算改进的第八代智能英特尔酷睿处理器与上一代处理器相比,性能提升了 40%。提供有六核 SKU,如可配置 TDP (cTDP) 低至 35 W 的 2.6 GHz 英特尔酷睿 i7-8850H。

模块化医学影像

第八代智能英特尔酷睿处理器与 COM Express 规格兼容,可帮助医疗系统工程师设计小巧且生命周期长的产品。例如,COM Express “基本” 外形模块大小几乎只有竞争对手的嵌入式主板标准的一半,这使系统能够将第八代智能英特尔酷睿处理器的性能功耗 (PPW) 融入到小型设计之中。采用 COM Express 规格构建的影像系统还具有经一次医学使用认证的基础载板,并且随着性能和系统要求的变化,还可以替换 COM Express 处理器模块。“载板和模块组合后的整个占用空间与 COM 本身的尺寸相当,这意味着尺寸只有 COM Express 基本型的 95 mm x 115 mm 那么小”,Fischer 解释说。“通过比较,微型 ITX 主板需要的空间几乎为两倍,占用空间为 170 mm x 170 mm。如果工程师利用 COM Express 等标准,他们还可以受益于该标准的大量说明文档,这些都已经在许多医疗应用中得到证明,这就使得设计导入和认证流程比任何完全的自定义设计要容易的多,” Fischer 补充道。congatec 的 conga-TS370 COM Express 模块为医疗系统设计人员和工程师提供了一个选择,它的基本外形(图 3)支持第八代智能英特尔酷睿处理器和英特尔® 至强® 处理器。这些模块提供了 10 年以上的支持保证。

图 3. 面向医疗设备设计的 conga-TS370 COM Express 基本型模块提供 10 年以上的支持。(资料来源:congatec AG

医学影像为深度探索提供了保证

医学影像系统是医护专业人员用来诊断疾病的主要工具之一,因为它们相比其它方法速度更快,并且侵扰程度更低。但是,这些系统能够带来的受益会受限于它能够呈现的影像,这就给支持这些系统的处理解决方案带来了重大的责任负担。随着第八代智能英特尔酷睿处理器的推出,医学影像设计人员能够在不损坏移动电源的 TDP 范围内利用高级图形性能。这些解决方案与领先的内存技术以及现成的处理器模块相结合,为实现采用大数据、物联网和人工智能改进患者治疗的更加智能的医学影像时代铺平了道路。

作者简介

Majeed Kamran

Majeed Ahmad is former Editor-in-Chief of EE Times Asia, a sister publication of EE Times. Moreover, as the Editor-in-Chief at Global Sources, a Hong Kong-based trade and technology publishing house, he spearheaded magazines related to electronic components, consumer electronics, and computer, security and telecom products. Majeed is a journalist with an engineering background and two decades of experience in writing, editing and acquiring technical content. He is also author of six books on electronics: Smartphone, Nokia’s Smartphone Problem and The Next Web of 50 Billion Devices, Mobile Commerce 2.0, Age of Mobile Data, and Essential 4G Guide.

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